RESEARCH Revista Mexicana de Fısica65 (2019) 43–48 JANUARY-FEBRUARY 2019

Dispositivo laser semiconductor con puntos cuanticospara emision en el cercano infrarrojo

J.V. Gonzalez-Fernandeza,∗, R. Dıaz de Leon-Zapatab, I. Lara-Velazquezb and J. Ortega-Gallegosc

aUnidad Especializada en Energıas Renovables del Tecnologico Nacional de Mexico/ITLa Laguna, Blvd. Revolucion y Calzada Cuauhtemoc s/n, 27000, Torreon, Coahuila, Mexico.

*e-mail: fanogf@gmail.combTecnologico Nacional de Mexico/IT San Luis Potosı,

Av. Tecnologico s/n, C.P. 78437, Soledad de Graciano Sanchez, SLP, Mexico.cInstituto de Investigacion en Comunicacion Optica, Universidad Autonoma de San Luis Potosı,

Av. Karakorum 1470, Lomas 4a seccion, 78210, San Luis Potosı, SLP, Mexico.

Received 7 July 2018; accepted 3 September 2018

En este trabajo se reporta la fabricacion de un dispositivo laser de semiconductores III-V de confinamiento separado. La heteroestructurase crecio usando la tecnica de epitaxia por haces moleculares y se caracterizo optica, topografica y electricamente por medio de fotolu-miniscencia, microscopia de tunelamiento, electroluminiscencia, relaciones de corriente-voltaje y corriente-potencia, respectivamente. Elconfinamiento electronico es llevado a cabo por un emparedamiento delarea activa con pozos cuanticos de InGaAs con una composicionque permite un acople estructural entre el pozo cuantico y los puntos cuanticos autoensamblados de InAs disminuyendo las dislocacionesque darıan lugar a una mala calidad del dispositivo. El objetivo es obtener una emision laser en las ventanas de menor absorcion de las fibrasopticas situadas en el cercano infrarrojo en las que se basan los sistemas de telecomunicacion.

Descriptores:Puntos cuanticos; dispositivos semiconductores; epitaxia por haces moleculares; laser.

In this work the fabrication of III-V semiconductor laser device with separate confinement is reported. The heterostructure was grown bymolecular beam epitaxy technique and it was characterized by optical, morphological and electrical techniques such as photoluminescence,scanning tunneling effect, electroluminescence, current-voltage and current-power relations, respectively. The electronic confinement wascarried out by sandwiching the active area with InGaAs quantum well with an appropriated Indium composition that allows a structuralcoupling between quantum wells and self-assembled InAs quantum dots decreasing dislocations that could commit the device quality. Ouraim is to obtain the laser emission in the lower absorption windows for optical fiber telecommunications systems located in the near-infrared.

Keywords: Quantum dots; semiconductor devices; molecular beam epitaxy; laser.

PACS: 78.67.Hc; 42.55.Px; 81.15.Hi.

1. Introduccion

Los materiales semiconductores del grupo III-V han sido am-pliamente utilizados y estudiados para el desarrollo de dispo-sitivos electroopticos como diodos emisores de luz (LED’s)y laseres [1-4], que de manera convencional se fabrican me-diante la deposicion de pelıculas semiconductoras delgadaspor tecnicas como epitaxia por haces moleculares (MBE) opor epitaxia metalorganica en fase de vapor (MOCVD) [5-7].Las investigaciones dirigidas al desarrollo e innovacion delas tecnologıas para las telecomunicaciones demandan unamejora continua y son de considerable importancia, en par-ticular en lo que se refiere a los procesos de transmision yrecepcion de datos. Varias lıneas de investigacion continuanen la direccion de los dispositivos pasivos de los sistemas detelecomunicaciones, como por ejemplo en la reduccion de laabsorcion por medio de dopajes en las fibrasopticas, ası co-mo el aumento en la calidad de estas lıneas de transmision,pero la mayor parte de los esfuerzos se centran en el desarro-llo de los dispositivosopticos emisores de luz con las carac-terısticas propias de los laseres.

Para la fabricacion de laseres de confinamiento separadoes necesario depositar una seccion cuya funcion es mantener

confinada la luz en una cavidad reflectora y otra seccion en laque los electrones experimenten un confinamiento debido a lapresencia de una barrera de potencial que se genera al depo-sitar una capa de un semiconductor con una banda de energıaprohibida lo suficientemente mayor para que el efecto de con-finamiento de portadores sea efectivo [8]. Para lograr obtenerun laser cuya emision de la zona activa este centrada en laventanas de menor absorcion para telecomunicaciones por fi-braoptica (1.3 y 1.55µm) [9,10], es necesario recurrir a de-fectos controlados que conforman sistemas de confinamientoelectronico como pozos o puntos, cuya geometrıa deriva enpropiedades cuanticas que permiten obtener dispositivos concaracterısticasopticas apropiadas para este fin.

El espectro de emision mejora ampliamente cuando loselectrones son confinados en dos dimensiones por medio depozos cuanticos, sin embargo, el semiancho de la forma delınea del espectro energetico de la emision disminuye si es-te se confina en tres dimensiones al insertar puntos cuanticosauto-ensamblados de manera que la eficiencia del dispositivoaumenta considerablemente al mismo tiempo que disminuyela temperatura de trabajo y la corriente de umbral [11,12]. Lafabricacion de estas heteroestructuras es complicada debidoa la dinamica de difusion del Indio que provoca gradientes de

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composicion en el material ternario de InGaAs durante el cre-cimiento inducidos por la energıa termica adquirida inheren-temente en el proceso. Lo que produce defectos interfacialesy, por lo tanto, pequenas deformaciones en las fronteras de laestructura cuantica cuya respuesta implica diferente soluciona la ecuacion de onda produciendo cambios en los subnivelescalculados de las bandas de conduccion y de valencia.

En la presente comunicacion se reporta la fabricacion ycaracterizacion de laseres de puntos cuanticos (LPCs) creci-dos por MBE con una longitud de onda de emision en 1019nm. A partir de estos resultados se corrobora la capacidadde fabricacion de laseres cuyas emisiones se centren en lon-gitudes de onda del rango de interes para aplicaciones comotelecomunicaciones por fibrasopticas, detectores de contami-nantes, entre otras.

2. Fabricacion del dispositivo

La heteroestructura laser consiste en la deposicion epitaxialde pelıculas semiconductoras por medio de una camara deMBE sobre un sustrato cristalino epi-ready de GaAs (001)tipo-n con un dopaje nominal de1 × 1018 cm−3. Los ma-teriales utilizados en la camara de crecimiento son In, Ga yAl como cationes y el As como anion. En esteultimo se uti-

lizo una celda tipo Cracker para garantizar la dimerizacionde las moleculas de Arsenico y para controlar el flujo mo-lecular en diferentes momentos del crecimiento dependiendode las caracterısticas de la capa depositada. Ademas, se utili-zaron los elementos Si y Be como dopantes tipo-n y tipo-p,respectivamente, para generar la heterounion del diodo semi-conductor.

El confinamientooptico se obtiene depositando 1µm deAl0.35Ga0.65As dopado que funciona como una barreraopti-ca dado el contraste en terminos delındice de refraccion conlas capas emparedadas. Estas pelıculas funcionan tambien co-mo emisores de los portadores tipo-n (electrones) y de tipo-p(huecos) que se recombinaran en elarea activa. El espesorutilizado fue determinado en funcion de la longitud de on-da de emision que se pretende obtener (alrededor de 1µm),es decir, que la onda electromagnetica producida pueda man-tenerse confinada en la cavidad resonante. El confinamientoelectronico se logra obtener depositando un emparedamientode 0.25µm de GaAs. La energıa de banda prohibida de estebinario permite que los portadores esten sometidos a un con-finamiento electronico y con esto se obtiene una mayor pro-babilidad de que estos participen en la recombinacion dentrodel area activa. En la Fig. 1 se muestra el esquema de la de-posicion de material (espesor) respecto a la energıa de banda

TABLA I. Condiciones del sistema MBE durante el crecimiento de la estructura laser.

Material Funcion de Espesor x Dopaje Vdep Tcrec Flujo molecular

la capa (nm) (1018 cm−3) (ml/s) (◦C) (10−9 Torrs)

GaAs-n+ Sustrato 150,000 - Si = 1 - - -

GaAs-n+ Buffer 100 - Si = 1 1.00 600 PGa = 140

PAs = 5500

AlxGa1−xAs-n+ Emisor tipo-n 1,000 0.35 Si = 1 0.75 630 PAl = 47

PGa = 140

PAs = 5500

GaAs Guıa de onda 250 - - 1.00 600 PGa = 140

PAs = 5500

InxGa1−xAs Pozo cuantico 2 0.15 - 0.28 480 PIn = 31

PGa = 60

PAs = 2000

InAs Puntos cuanticos 4 - - 0.04 480 PIn = 31

PAs = 2000

InxGa1−xAs Pozo cuantico 8 0.15 - 0.28 480 PIn = 31

PGa = 60

PAs = 2000

GaAs Guıa de onda 250 - - 1.00 600 PGa = 140

PAs = 5500

AlxGa1−xAs-p+ Emisor tipo-p 1,000 0.35 Be = 4 0.75 630 PAl = 47

PGa = 140

PAs = 5500

GaAs-p+ Cubierta 100 - Be = 30 1.00 600 PGa = 140

PAs = 5500

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FIGURA 1. Diagrama de bandas la estructura laser de 3 repeticiones de puntos cuanticos.

prohibida de cada capa de la estructura laser en donde la zonaactiva esta conformada por la deposicion de pozos cuanticosen los que se insertaron puntos cuanticos auto-ensamblados,esta secuencia se repitio tres veces y conforma la matriz delarea activa del laser.

En la Tabla I se detallan las condiciones de crecimientode las pelıculas en la camara de deposicion en funcion delespesor, la composicion (x), el dopaje, la velocidad (Vdep), latemperatura de crecimiento (Tcrec) y la presion del flujo mo-lecular de los materiales binarios y ternarios de la estructuralaser de puntos cuanticos. El orden descendiente en la tablacorresponde a la direccion de crecimiento de las pelıculas in-cluyendo al sustrato.

El area activa del LPC esta basada en InxGa1−xAs y con-siste en la deposicion de una matriz de tres repeticiones depozos cuanticos de In0.15Ga0.85As, en los cuales se incrus-tan los PCs de InAs [13]. La emision de la luz laser dependedel tamano de los PC y varıa dentro del rango de las venta-nas de menor absorcion de las fibrasopticas [14,15]. Aunquelas dimensiones de un PC son a escala nanometrica, como semuestra en la imagen tomada por microscopia de tunelamien-

FIGURA 2. Imagen de puntos cuanticos tomada por microscopia detunelamiento in-situ. En esta figura es observable 11 puntos cuanti-cos con una altura de 4 nm y seccion transversal de 75 nm2 enpromedio, sobre una region de 3,600 nm2.

to en la Fig. 2, es posible controlar el promedio dimensionaly la densidad de ellos con base en las condiciones de creci-miento y proporcion de los elementos constitutivos de las di-versas pelıculas dentro de la camara de deposicion que com-ponen la estructura, de tal manera que se favorece los puntoscuanticos auto-ensamblados con las caracterısticas deseadas.Para el dispositivo sintetizado, la densidad estimada de PCsa traves de la microscopia de tunelamiento es del orden de3.05× 1011 PC/cm2.

La fabricacion del chip laser incluye un proceso fotolito-grafico post-crecimiento en el cual la estructura se somete aun proceso de pulido para dejar un espesor de hasta 100µmdel lado del sustrato. En la superficie se deposita SiO2 comodielectrico y una resina fotosensible y sobreestas se colocauna mascarilla con motivos alineados en la direccion [110]del cristal. La muestra es expuesta a luz ultravioleta con elfin de revelar a la resina, mientras que el dielectrico quedaexpuesto y es atacado quımicamente creando surcos en la su-perficie de la estructura que serviran para canalizar la inyec-cion de corriente; porultimo, la resina restante es removidacon solventes. El proceso final en la fabricacion consiste en ladeposicion de metales como contactosohmicos sobre los sur-cos anteriormente descritos, en este caso Oro, y para la parteinferior o del sustrato, se depositan Oro y Germanio. Los con-tactos son horneados a fin de garantizar una aleacion metal-semiconductor del tipoohmico que permita obtener una bajaresistividad del dispositivo. En la Fig. 3a se puede apreciarel tamano fısico del laser con dimensiones de 500µm de lar-go por 100µm de seccion transversal y una altura o espesorde 100µm, en comparacion con el tamano de un cabello hu-mano y el de un fosforo comun, la imagen fue tomada en unmicroscopiooptico convencional. En la Fig. 3b se muestra unesquema de la estructura del laser que se reporta.

3. Resultados experimentales

La caracterizacion del espectro de emision del laser fue ob-tenida por medio de electroluminiscencia y es mostrada en laFig. 4. El laser estudiado mostro una emision centrada en una

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FIGURA 3. Dispositivo laser: a) Imagen comparativa del tamanodel dispositivo con un fosforo comun y un cabello humano, b)esquema de las capas epitaxiales y de las pelıculas del post-procesado.

FIGURA 4. Espectro de electroluminiscencia del dispositivo laserde puntos cuanticos medido a temperatura ambiente y sometido acorriente pulsada. La ausencia de emisiones satelite alrededor de laemision principal y su delgado ancho espectral de emision denotala alta calidad del dispositivo.

longitud de onda (λ) de 1019 nm (1.216 eV) con un se-miancho de 2.3 meV a temperatura ambiente. La inyeccionde corriente se aplico por medio de una fuente de alimenta-cion en regimen pulsado con un ciclo de trabajo (PWMI ) del7.8 % (10µs /128µs) y una corriente pico de 4 A.

La curva caracterıstica de Corriente-Voltaje (C-V) dellaser mostrado en la Fig. 5 indican una baja resistencia se-rie de 1.5 Ohms. Este valor de resistencia es importante paralimitar el calentamiento del laser durante su operacion cau-sado por el inherente efecto Joule en este tipo de dispositivosdonde la corriente electrica es suficiente para lograr un calen-tamiento considerable a pesar de las dimensiones microscopi-cas del dispositivo y el regimen de corriente pulsada que seinyecta al laser para evitar los efectos de degradacion. Con lacurva podemos conocer la interseccion de la recta ajustada ala pendiente, en la seccion de respuesta lineal, con el eje ho-rizontal. El valor del cruce representa el voltaje de umbral apartir del cual el diodo semiconductor es capaz de conducircorriente.

FIGURA 5. Caracterizacion electrica por Corriente-Voltaje. En rojose resalta el ajuste lineal sobre el regimenohmico del desempenodel dispositivo en polarizacion directa. De la pendiente de la recta,determinada mediante un ajuste por m´Animos cuadrados en esteregimen, se deduce la resistencia promedio del dispositivo.

FIGURA 6. Potencia de salida del diodo laser en funcion de lacorriente de entrada. Se considera al regimen de estimulacion es-pontanea para determinar la corriente de umbral bajo un ajuste li-neal.

En la Fig. 6 se muestra la curva caracterıstica deCorriente-Potencia (C-P) del laser. La caracterizacion electri-ca por C-P nos permitio conocer que la responsividad (R) pa-ra el dispositivo que se fabrico es del 95.4 mW/A, obtenida apartir de la expresion

R =∆P

∆I

1PWMI

(1)

en donde∆P es el cambio en la potenciaoptica emiti-da, mientras que∆I es el cambio de la corriente inyectadaen el regimen de respuesta lineal. Para el calculo se consi-dero que la fuente de alimentacion proporcionaba un PWMIde 2µs/128µs con el cual se inyectaba la corriente al dispo-sitivo en regimen pulsado y a temperatura ambiente.

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Se observan claramente los rangos de emision espontaneay estimulada de radiacion en la Fig. 6. Con estaultima se ex-trae la pendiente que indica el punto de corte a la grafica conel eje de la corriente correspondiendo un umbral (Ith ) de 2.6Amperios.

En la literatura se han reportado corrientes de umbral delorden de miliamperes [16] que, comparado con el presen-te trabajo, representa una pequena porcion de corriente, sinembargo esto refleja la capacidad tecnologica de clivado deldispositivo ya que tambien se debe tomar en cuenta su ta-mano debido a que entre mas grande sea elarea de contac-to, mayor corriente se necesita para obtener la luminiscen-cia. Para evitar esta ambiguedad, el parametro de referenciatecnologica de caracterizacion es la densidad de corriente, yaque esta contempla elarea de contacto antes mencionada. Pa-ra aumentar el rendimiento del laser es necesario disminuiresta corriente de umbral para evitar el calentamiento y trans-mitir mas energıa al proceso de radiacion laser. Consideran-do las dimensiones del chip laser, se obtiene una densidad decorriente en el umbral (Jth ) de 5,200 A/cm2 a partir de

Jth =Ith

dL(2)

en donde la escala del dispositivo dimensiona la energıa su-ministrada. En este caso el contacto de tira del chip tieneun ancho (d) de 0.01 cm y un largo (L) de 0.05 cm, lo cualcorresponde a unarea de 0.0005 cm2. La densidad corrientede umbral es muy alta comparada con la literatura contem-poranea [17], esto se debe esencialmente a la calidad de loscontactosohmicos.

FIGURA 7. Caracterizacion electrica de la potencia emitida res-pecto al ciclo de trabajo de la fuente pulsada para la inyeccion decorriente. Se senala en lınea no continua la extrapolacion de la cur-va que permite conocer la potencia pico por faceta bajo corrientecontinua. En el recuadro se observa el detalle de los datos experi-mentales empleados para la estimacion de la potencia del disposi-tivo trabajando en el regimen de modo continuo.

Finalmente, en la Fig. 7 se muestra la potenciaoptica emi-tida por el laser a temperatura ambiente y la cual esta en fun-cion del ciclo de trabajo de la corriente suministrada. Se ob-tuvieron potencias pico de 123 mW por faceta, lo cual indicaque la potencia total del dispositivo laser fue de 246 mW.Estos valores se obtuvieron a partir de la exploracion de va-rios dispositivos clivados de la misma muestra, por lo que elpromedio de estos laseres indica una consistencia y una re-producibilidad tanto en las condiciones de crecimiento comoen el post-procesado del dispositivo.

4. Conclusiones

En este artıculo se presenta la fabricacion de laseres de pun-tos cuanticos de InAs insertados en una matriz de tipo pozocuantico de InGaAs y cuya formacion obedece a un mecanis-mo de auto-ensamble. La caracterizacion electrica por C-Vindica que las condiciones de fabricacion de los contactoselectricos son correctas dado que el valor de la resistenciaobtenida es bajo. En cuanto los resultados de potenciaopticade emision del LPC, se obtuvo que en un regimen pulsado ellaser emite una potenciaoptica total de 246 mW, valor quesostuvo el dispositivo durante horas sin quemarse o degra-darse. La densidad de corriente de umbral es alta comparadacon los dispositivos reportados actualmente en la literaturay resulta absolutamente necesario mejorarla para disminuirlos efectos de calentamiento, esto representa para el grupode investigacion un nicho de oportunidad alcanzable. Las ca-racterısticas de los PCs, en cuanto a su tamano y a su densi-dad, permitieron la obtencion de una emision laser en 1019nm con lo que se proyecta que en un futuro proximo se pue-dan elaborar LPCs capaces de ser fabricados en los rangos deinteres, especıficamente en las ventanas de menor absorcionpara aplicaciones relacionadas con la transmision en teleco-municaciones por fibraoptica o para la deteccion de conta-minantes en el cercano infrarrojo.

Agradecimientos

Los autores agradecen a A. Lastras y R. Balderas por el equi-po facilitado y discusiones sobre este trabajo. El agradeci-miento tambien se extiende al Consejo Nacional de Cien-cia y Tecnologıa (CONACYT) y al Tecnologico Nacional deMexico (TecNM). Gonzalez-Fernandez agradece a la Secre-tarıa de Ciencia, Tecnologıa e Innovacion de la Ciudad deMexico (SECITI-CDMX) por el financiamiento parcial reci-bido.

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